파동 역학 연구 – USB3 uEye CP로

파도를 만드는 어플리케이션

IDS의 USB 3 카메라를 사용한 파동 역학에 대한 연구 프로젝트

파동은 해안 형성에서 중심적인 역할을 합니다. 따라서 파동의 생성과 그 움직임은 해안 형태의 중심 요소입니다. LEGI (Laboratoire des Ecoulements Géophysiques et Industriels à Grenoble)는 이 주제에 집중합니다: 파동들 간의 에너지 교환에 대한 자세한 지식을 얻기 위하여, 연구소의 과학자들은 특히 평평한 환경에서 파동 역학을 연구합니다. 목표는 해운에 시급히 중요할 뿐만 아니라 장기적으로 기후 변화의 영향을 시뮬레이션 하는데에도 이바지하는 파동 기상학을 발전시키는 것입니다.

어플리케이션

파동 역학 연구 – USB3 uEye CP로
총 8개의 USB 3.0 uEye 카메라가 16m의 조파 수로(wave channel)을 캡처합니다.

얕은 물에서의 파도는 “연해 사구”(offshore dunes)와 상이한 역학을 가지고 있습니다. LEGI는 현재 무작위의(random) 평평한 파도 패턴과 그들의 해안 형태학에 대한 영향을 조사하고 있습니다. 특히, 연구자들은 “솔리톤(soliton)”의 형성과 상호 작용을 관찰하고 있습니다. 솔리톤은 모양의 변화없이 전파되는 파동입니다. 두 솔리톤들의 상호 작용은 탄성적(elastic)입니다. 즉, 에너지 교환이 없고 시간 지연만 있습니다. 많은 솔리톤들이 상호 작용하면 그것들의 주파수가 완전히 무작위가 될 수 있으며, 이는 특히 놀 (swelling)을 변화시킵니다. 이는 차례로 항만 인프라 또는 풍력 발전소와 같은 파도와 구조물 간의 상호 작용에 영향을 미칠 수 있습니다.

이러한 특정 파도 조건을 관찰하려면 공간 및 시간-분해 측정들을 모두 허용하는 측정 도구가 필요합니다. LEGI는 특별히 제작된 길이 36m 및 폭 50cm의 조파 수로를 사용합니다. 이 치수는 최대 길이에 걸쳐 파동 프로파일을 기록하기 위해 특히 넓은 시야를 가진 카메라를 필요로 합니다.

이 시스템의 가장 큰 두 가지 과제는 카메라의 처리량, 및 저장소 용량입니다. 수년 동안, R&D Vision은 오랜 기간에 걸쳐 매우 빠른 속도로 "디스크에 직접" 이미지를 기록하기 위한 구체적인 노하우를 개발해왔습니다. 여기에 설명된 어플리케이션은 매우 강력한 SSD 디스크로 구성된 RAID 구조를 가지고 있어, 이는 최대 1.2Gb/s의 처리량까지 무손실 원시 데이터 획득을 보장합니다. RAID 구조는 고성능 SSD 디스크에 기반합니다. 3시간 30분보다 긴 녹화의 경우, 비디오 디스크의 저장소 용량은 15Tb입니다 - 오랜 시간에 걸쳐 현상을 관찰하고 더 긴 일련의 실험들을 조사하기 위한 중요한 전제 조건입니다.

길이 36m와 폭 50cm의 조파 수로가 파도의 특정 상태를 관찰하는 데 사용됩니다.

카메라 설정 및 이미지 시퀀스 캡처를 보장하기 위하여, R&D Vision은 IDS 카메라의 모든 특정 기능을 완전히 통합하는 자체 소프트웨어 제품군을 개발했습니다. 1936x1216 픽셀의 해상도와 166fps의 프레임 레이트를 갖춘 UI-3060CP-M-GL Rev. 2는, 특별한 속도 및 해상도 요구 사항을 충족하는 완벽한 카메라입니다. Sony CMOS 센서의 스펙트럼 감도와 낮은 노이즈는 또한, 최적의 이미지 품질을 보장하기 위한 중요한 선택 기준이었습니다. USB 3 인터페이스는 많은 수의 카메라들, 처리량, 및 케이블들의 길이로 인해 선택되었습니다. 카메라의 전원 공급을 위해 20m 액티브 케이블이 사용됩니다.

결과들

이미지가 촬영되면, LEGI 과학자들은, 16m의 길이에 걸쳐, 해수면 고도, 즉 수위의 변화를 재구성하기 위하여, 측면 창에서 물 접촉 선(water contact line)을 추출합니다. 선택된 카메라 모델을 통해, 연구원들은 100마이크로미터 미만의 해수면 고도에 대해 매우 높은 수직 해상도를 달성할 수 있으며, 이는 매우 높은 측정 정확도를 보장합니다 추가로, 카메라의 최대 프레임 레이트를 통해 파도의 일시적 역학(temporal dynamics)을 기록할 수 있습니다.

"이 8개의 동기화된 HD 카메라의 사용은 매우 정확하고 동시 시공간 측정을 위한 매우 독창적인 접근법을 의미합니다."

— Nicolas Mordant, LEGI 2형성 유동(Diphasic Flow) 및 난류(Turbulence) 팀의 역학 교수 —

LEGI Diphasic Flow and Turbulence Team의 기계학 교수 Nicolas Mordant에게 이것은 혁신적인 솔루션입니다: "이 카메라 시스템은 특히 무작위 사건들(random events)의 경우에 해상 상태를 실험적으로 연구하는 데 이상적인 도구입니다. 이 8개의 동기화된 HD 카메라의 사용은 매우 정확하고 동시 시공간 측정을 위한 매우 독창적인 접근법을 의미합니다".

전망

다음으로, 과학자들은 운하 한쪽 끝에 인공 모래 해변을 건설할 계획입니다. IDS 카메라는 운하 끝의 전체 해변을 시각화하고, PIV (입자 영상 유속계, Particle Image Velocimetry) 방법을 사용하여 측정을 수행하는 데 사용될 것입니다. 8개의 IDS USB 3 UI-3060CP Rev. 2 카메라로 구성된 멀티-카메라 시스템은, 파도 레짐(wave regimes)이 조사의 결과는 해안 인프라 계획에 중요한 통찰력을 제공할 수 있습니다. 예를 들어, 홍수와 같은 기후 변화의 영향으로부터 항구 또는 다른 주거지를 더 잘 보호할 수 있습니다.

USB 3 uEye CP - 놀랍도록 빠르고, 놀랍도록 믿을 수 있는, 놀라운 센서.

IDS 산업용 카메라 USB 3 uEye CP